The effects of reducing design drift limits: evidence from the field and nonlinear dynamic analyses
Questo studio combina dati sul campo provenienti da oltre 1.800 edifici con analisi dinamiche non lineari per dimostrare che ridurre i limiti di deriva di progetto all'1,0% diminuisce significativamente il rischio di crollo e di danni gravi sia alle componenti strutturali che a quelle non strutturali senza compromettere la capacità di deriva.
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Quando il terreno trema durante un terremoto, gli edifici non si limitano a restare immobili o a crollare; essi oscillano. Gli ingegneri misurano questo movimento laterale come deriva, ovvero la distanza che un piano percorre rispetto a quello sottostante. Per decenni, i codici edilizi hanno stabilito dei limiti a quanto questa deriva sia consentita crescere, operando sulla base dell'assunto che se un edificio è progettato per flettersi di una certa quantità senza rompersi, esso sopravviverà. La saggezza prevalente è stata che rendere un edificio più rigido per ridurre questa oscillazione potrebbe essere troppo costoso o causare altri problemi, come scuotere troppo violentemente il contenuto all'interno. Tuttavia, un nuovo studio sfida questa visione consolidata, suggerendo che il modo più sicuro per proteggere sia l'edificio che le persone e le attrezzature al suo interno sia progettare strutture significativamente più rigide rispetto a quanto richiedano gli standard attuali, a condizione che siano costruite con una resistenza interna sufficiente a gestire lo stress.
I ricercatori dietro questo lavoro, basati all'ETH di Zurigo e all'Università di Canterbury, si sono posti l'obiettivo di testare se restringere questi limiti di deriva migliori effettivamente la sicurezza. Hanno affrontato la questione da due angolazioni: osservando cosa è accaduto a migliaia di edifici reali dopo passati terremoti e creando modelli informatici dettagliati di nuovi edifici progettati con diversi standard di rigidezza. Nel mondo reale, hanno raccolto dati da oltre 1.800 edifici in cemento armato rilevati dopo sedici diversi terremoti in tutto il mondo. Si sono concentrati su una semplice caratteristica fisica: quanta spazio occupavano pareti e colonne rispetto alla superficie del piano. In termini ingegneristici, una maggiore densità di questi supporti verticali significa che l'edificio è più rigido e oscilla meno. Confrontando questa densità con i rapporti sui danni, hanno riscontrato un modello chiaro. Gli edifici con più pareti e colonne, e quindi con meno oscillazione, hanno subito molti meno cedimenti catastrofici. Nello specifico, le strutture con una maggiore densità di supporti verticali avevano una probabilità circa dieci volte inferiore di subire danni gravi o crolli rispetto a quelle con meno supporti.
Il team ha esaminato anche i danni spesso trascurati all'interno degli edifici, come soffitti danneggiati, apparecchiature mediche danneggiate e partizioni rovinate. Hanno analizzato i rapporti di 111 ospedali in Cile a seguito di un grande terremoto. I risultati sono stati sorprendenti: gli ospedali costruiti con telai flessibili, che oscillano di più, avevano una probabilità dieci volte superiore di subire danni gravi alle loro componenti non strutturali rispetto agli ospedali costruiti con pareti di cemento rigide. Questo dato contrasta direttamente una paura comune secondo cui gli edifici più rigidi scuoterebbero il loro contenuto troppo violentemente. I dati hanno dimostrato che l'aumentata stabilità degli edifici rigidi ha effettivamente protetto meglio le apparecchiature delicate e le finiture interne rispetto ai telai oscillanti.
Per capire esattamente perché ciò accada e per prevederne le prestazioni future, i ricercatori si sono rivolti alle simulazioni al computer. Hanno progettato sedici diversi edifici a telaio in cemento armato e sedici diversi edifici a parete e telaio in cemento armato. Ogni set era stato progettato per soddisfare quattro diversi limiti di deriva, che variavano da un 2,5% molto flessibile fino a un 1,0% molto rigido. Fondamentalmente, si sono assicurati che ogni singolo edificio fosse dotato di una forte armatura interna in acciaio, il che significa che anche gli edifici più rigidi avevano la stessa capacità di flettersi e assorbire energia senza rompersi rispetto a quelli più flessibili. Hanno poi sottoposto queste strutture virtuali a forze sismiche simulate, incluse scosse estremamente rare e potenti che potrebbero verificarsi una volta ogni 2.500 anni.
Le simulazioni hanno confermato le tendenze osservate nei dati del mondo reale. Quando il limite di progettazione della deriva è stato ridotto dal 2,5% all'1,0%, il rischio di crollo dell'edificio durante un terremoto massiccio è diminuito di un fattore dieci. Anche gli edifici più rigidi hanno subito meno danni gravi alle loro componenti strutturali e ai loro pavimenti. Inoltre, lo studio ha scoperto che rendere gli edifici più rigidi non aumentava le forze di accelerazione avvertite dal contenuto all'interno, una preoccupazione che precedentemente aveva scoraggiato gli ingegneri dal perseguire progettazioni più rigide. Al contrario, gli edifici più rigidi mantenevano la loro integrità e mantenevano i pavimenti più stabili.
Lo studio conclude che ridurre il limite di deriva di progettazione consentito all'1,0% è un modo semplice ed efficace per migliorare drasticamente la sicurezza sismica. Questo approccio ridurrebbe significativamente il rischio di crollo e di danni strutturali gravi, proteggendo al contempo il prezioso contenuto e gli elementi non strutturali all'interno dell'edificio. Le prove suggeriscono che il compromesso percepito tra rigidezza e sicurezza è un malinteso; progettando edifici per essere più rigidi senza compromettere la loro forza interna, gli ingegneri possono creare strutture molto più resilienti alle violente scosse della terra.
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